基于虛擬現實技術的煤礦三維可視化展示系統設計

楊景峰

(陜西陜煤彬長礦業有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

煤礦近年來大力推進“兩化融合”“四化建設”工作，從數字化礦山逐步向智能化礦山邁進[1-3]。智能化礦山就是對生產、職業健康與安全、技術和后勤保障等進行主動感知、自動分析、快速處理的無人礦山。智能化礦山是本質，礦山的數字化、信息化是智能化礦山建設的前提和基礎[4-6]。三維可視化礦山系統建立的前提，在于生產場景在管理平臺中的還原，使之具備可視化的基礎屬性。

煤礦三維可視化展示系統建設的最終目標，是基于三維建模、虛擬現實等技術，建立煤礦的基礎三維地理數據制作與三維虛擬可視化展示系統的開發。最終完成一套能夠針對煤礦進行漫游、瀏覽、工藝流程展示的三維可視化平臺。

1 虛擬現實技術

虛擬現實(VR)技術是一種能夠創建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術，它利用計算機生成一種交互式的三維動態視景，其實體行為的仿真系統能夠使用戶沉浸到該環境中[7-8]。虛擬現實技術綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術，它在多維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，并有助于啟發構思。沉浸、交互、構想是VR環境系統的3個基本特性，虛擬技術的核心是建模與仿真。

2 系統設計

2.1 系統設計內容

系統包含三維基礎數據處理與VR展示系統開發2個方面內容。

三維建模與基礎數據處理：內容包括三維場景建模與煤礦主要設備建模2部分。三維模型建立的精度直接影響到場景展示的效果，采用傾斜攝影測量技術高效、高質量的完成整個礦區地形模型建立；利用三維建模軟件也可快速完成大型生產設備的模型構建。

VR展示系統開發：設計一套先進、可擴展的煤礦虛擬場景展示系統。通過VR平臺，構建煤礦虛擬場景，采用飛行漫游的方式，擬定好礦區瀏覽展示路線，突出煤礦生產作業現場的虛擬展示，可以全方位的了解礦山。

2.2 系統架構設計

煤礦VR展示系統組網環境架構圖如圖1所示。

圖1 煤礦VR展示系統組網環境架構圖

系統通過統一業務服務器，進行交互數據的處理，并傳遞處理結果至展示終端，展示終端可以將接收到的交互數據，如采煤機割煤、安全提示等消息，通過可穿戴設備，展示在使用者眼中。

同時，可穿戴設備可以通過交互接收器，將下一步動作發送到處理終端并由統一業務服務器收集處理。圖2為煤礦VR展示系統架構示意圖。

圖2 煤礦VR展示系統架構圖

系統實施過程中，需要實現兩個主要模塊，即統一業務服務器模塊和業務服務器模塊。在實現統一業務服務器時，需要根據礦山實際情況，建立礦山1∶1，1∶3，1∶5，1∶10模型，由虛擬人物實現全礦山漫游數據的采集。統一業務服務器需要完成交互數據的接收，接收由業務展示器發送的交互信息，例如確認采煤機附近安全，并開啟采煤機動作等。交互數據留存在服務器中，以便日后的操作流程追溯。業務服務器需要完成對交互信息的進一步處理，統計生成異常操作點報告報表，以便針對異常多發點組織進一步的安全實踐培訓。

2.3 系統功能設計說明

場景交互漫游：場景交互漫游功能通過上帝視角與第一視角兩種瀏覽模式對整個礦區模型進行漫游與瀏覽，實現手動可控制的位置瀏覽、位置變換功能，以位置的變換切換對不同設備或場所的瀏覽。同時，交互漫游也是開啟自動漫游、生產工藝流程回訪功能的入口。上帝視角模式中，提供對整個礦區的整體瀏覽功能，在礦區上空進行宏觀層面的瀏覽；第一視角模式中，提供“走動”功能，由體驗者自行在可行動區內行走、體驗。在場景中系統提供“游覽車”載具及“車站”，在第一視角模式中體驗者可與之互動乘坐，實現自動按照事先編輯路線進行場景漫游。同時，提供“工藝流程介紹展板”，瀏覽者在場景中互動觸發后實現特定工藝流程場景的流程回放功能。

場景自動漫游：利用“游覽車”載具實現場景自動漫游功能，系統從第一視角模式啟動自動漫游功能后，可選擇事先制定的游覽路線，設置行進速度等觀覽參數后進行自動漫游功能。游覽過程中，將對涉及的地點進行語音、文字或視頻介紹。

漫游路線管理：漫游路線管理功能，提供對自動行進路線及相關語音、文字、視頻介紹內容的編輯功能。

信息查詢：信息查詢功能主要提供系統展示場景內相關設備的屬性查詢，包括基本外觀參數、技術參數、工作方式介紹、原始圖片資料等。

生產工藝流程展示(回放)：利用自動漫游中對游覽車中相關按鈕操作，或交互漫游中某一生產工藝流程展示區附近的工藝流程介紹展板操作可觸發生產工藝流程展示程序。利用VR技術將預編制的工藝流程自動執行流程配以解說詞帶領參觀人員進行身臨其境的沉浸式體驗。

生產工藝流程編制：本功能提供工藝流程的具體分解步驟、動作、動畫效果的編制。

設備模型管理：三維虛擬展示系統主要涉及場景模型與設備模型兩個方面，其管理功能主要完成模型的分類、查詢、導入、導出等一系列相關內容。

操作權限管理：系統中需要區分管理權限，操作權限管理用來設置、分配人員的角色、權限。普通用戶不能操作生產流程編制、模型管理、權限管理等功能。

系統終端展現方式：①電腦PC端。利用鍵盤+鼠標的方式進行體驗，設置鍵盤的相關鍵作為“前進”“后退”等動作，鼠標控制行進方向；②較少人參觀時的方式。利用VR頭顯+Touch手柄的方式進行體驗，體驗者帶上VR頭顯設備進行虛擬場景的交互體驗，其他人可通過大屏實時觀看體驗者的視角，從而了解煤礦相關情況；③較多人參觀時的方式。可利用調度室大屏幕，觀看煤礦3D動畫展示，同時為增強3D體驗的效果，可佩戴3D眼鏡進行觀看。

3 三維模型建立及VR展示引擎應用開發

3.1 虛擬場景及主要生產設備三維建模

三維建模采用國內主流的傾斜攝影自動建模系統smart 3D進行真三維模型的制作，該系統是基于攝影測量原理，對大重疊度的傾斜影像進行空三加密、連接點密集匹配等過程，最終生成真三維模型。

精細建模采用DP-Modeler軟件，將整個實景三維模型加載，在此基礎上對每個設備單獨建模，實現模型的單體化，對復雜的模型結構在3Dmax中進行處理，最后對所有單體模型自動映射傾斜影像紋理，同時將現場拍攝的底商紋理賦予模型，得到測區的精細實景三維模型。

3.2 生產工藝流程腳本編制

生產工藝通過現場采集工藝流程，針對不同的流程，在模型中設置不同的流程動作觸發點。煤礦主要生產工藝流程包括：采煤機作業流程、綜掘機作業流程、主運輸皮帶作業流程等。

3.3 VR展示引擎應用開發

VR展示部分使用Unity3D引擎，驅動模型進行包括場景漫游在內的所有內容。圖3為Unity3D VR引擎界面。

圖3 Unity 3D VR引擎界面

Unity3D是目前市面上最常用的VR引擎之一，其高度的適配能力可以為礦山、工廠、機場等大型的戶外施工場地進行模型驅動。開發過程中通過3Dmax進行模型建立，在模型完成的情況下，使用Unity3D實現場景的漫游和交互。

4 結語

生產調度指揮中心是煤礦中樞部分，承擔著生產調度、企業宣傳、展示煤礦主要生產工藝流程的重要職能。通過基于虛擬現實技術的煤礦三維展示系統設計，完成煤礦實景真三維模型數據與礦區大型設備三維建模，完全滿足各項精度指標要求，能滿足煤礦生產工藝展示，并滿足后期煤礦各項工作生產、設備監控與調度以及規劃建設的需要，對提升煤礦信息化、智能化水平有著重要意義。